Разработка аустенитных сварочных материалов для технологии сварки оборудования АЭУ с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем», «2.5.8 – Сварка и родственные процессы и технологии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Алексеёнок Павел Александрович

• Алексеёнок Павел Александрович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Алексеёнок Павел Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Анализ конструктивных особенностей и условий эксплуатации РУ БРЕСТ-ОД-300

1.1. Проектные параметры стационарной РУ с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем - свинец

1.2. Анализ элементов конструкции РУ БРЕСТ-ОД-300

ГЛАВА 2. Предварительный выбор перспективной композиции сварочных материалов с обеспечением жаропрочности и стойкости против жидкометаллической коррозии сварных соединений. Материалы и методы оценки характеристик металла сварных соединений РУ с ЖМТ

2.1. Анализ характеристик основного металла и сварочных материалов и опыта проектирования для реакторных установок с ЖМТ

2.2. Выбор композиции сварочных материалов. Анализ характеристик металла шва сварных соединений, выполненных освоенными в промышленных условиях сварочными материалами

2.3. Материалы исследования

2.4. Методика проведения исследований и испытаний

2.4.1. Определение содержания ферритной фазы в металле шва/наплавленном

металле

2.4.2. Металлографические исследования структуры

2.4.3. Оценка свариваемости

2.4.4. Определение механических характеристик и ударной вязкости

2.4.5. Определение характеристик длительной прочности

2.4.6. Методика определения термической стабильности

2.4.7. Испытания на угол загиба

2.4.8. Методика определения остаточных сварочных напряжений

2.5. Выводы и конкретизация задачи

ГЛАВА 3. Разработка усовершенствованных сварочных материалов. Анализ механических характеристик металла шва и сварных соединений стали ЭП302-Ш

3.1. Оптимизация химического состава сварочных материалов типа 08Х14Н8С3Б. Разработка усовершенствованной композиции сварочных материалов типа 03Х14Н8С3БУ

3.2. Анализ микроструктуры и распределения ферритной фазы в металле шва/наплавленном металле, выполненных новым составом типа 03Х14Н8С3БУ

3.3. Анализ кратковременных механических характеристик металла шва и сварных соединений стали ЭП302-Ш

3.4. Анализ термической стабильности металла шва сварных соединений стали марки ЭП302-Ш. Влияние содержания ферритной фазы на термическую стабильность металла шва типа 03Х14Н8С3БУ

3.4.1. Влияние термического старения при температуре 550 °С на механические характеристики металла шва и сварные соединения стали марки ЭП302-Ш

3.4.2. Влияние термического старения при 550 °С на ударную вязкость металла шва

3.5. Анализ изменения уровня содержания ферритной фазы в наплавленном металле/металле шва сварных соединений стали марки ЭП302-Ш, выполненных сварочными материалами типа 03Х14Н8С3БУ, при длительных выдержках в диапазоне температур 450-550 °С

3.6. Анализ фазовых превращений в металле шва сварных соединений стали марки ЭП302-Ш, выполненных сварочными материалами типа 03Х14Н8С3БУ при температурах 450-600 °С

3.7. Анализ влияния кремния на охрупчивание металла шва

3.7.1. Анализ перераспределения элементов между структурными составляющими

3.7.2. Анализ возможности образования сегрегаций кремния

3.7.3. Анализ образования карбидных фаз

3.7.4. Анализ механизма возврата вязких свойств в процессе старения

Выводы по главе

ГЛАВА 4. Эксплуатационные характеристики сварных соединений стали марки ЭП302-Ш

4.1. Расчетные значения характеристик длительной прочности и длительной пластичности металла шва и сварных соединений стали 10Х15Н9С3Б1-Ш

4.2. Анализ склонности к хрупким разрушениям в околошовной зоне сварных соединений стали ЭП302-Ш

4.3. Разработка комплексного подхода к проведению послесварочной термической обработки применительно к изготовлению элементов конструкции КБР и ВКУ РУ БРЕСТ из стали марки ЭП302-Ш, выполняемых с использованием сварочных материалов типа 03Х14Н8С3БУ

4.3.1. Общие положения

4.3.2. Оценка температурно-временного интервала дисперсионного твердения металла шва и сварных соединений

4.3.3. Выбор параметров стабилизирующего отпуска

4.3.4. Выбор параметров релаксационного отжига

4.3.5. Оценка влияния параметров комплексной ТО на изменение уровня ОСН в сварных соединениях стали марки ЭП302-Ш, выполненных с применением усовершенствованных сварочных материалов типа 03Х14Н8С3БУ

4.3.6. Оценка стойкости против МКК сварных соединений стали марки ЭП302-Ш, выполненных с использованием сварочных материалов типа 03Х14Н8С3БУ, после термической обработки

4.3.7. Оценка влияния параметров термической обработки сварных соединений стали марки ЭП302-Ш, выполненных с использованием сварочных материалов типа 03Х14Н8С3БУ, на изменение уровня прочностных характеристик

Выводы по главе

ГЛАВА 5. Технология сварки элементов конструкции РУ БРЕСТ-ОД-300, подлежащих выполнению из стали марки ЭП302-Ш

5.1. Технология сварки элементов конструкции РУ БРЕСТ-ОД-300 из стали ЭП302-Ш толщиной до 35 мм

5.1.1. Технология высокопроизводительной сварки КЭ РУ БРЕСТ-ОД-300 из стали ЭП302-Ш

5.2. Технология сварки элементов конструкции РУ БРЕСТ-ОД-300 из стали марки ЭП302-Ш толщиной 35-60 мм

5.3. Внесение в нормативную документацию на проектирование, конструирование и изготовление элементов конструкции РУ с ЖМТ положений и технологических указаний в части применения материалов и технологии сварки. Внедрение результатов

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

Сокращение Расшифровка

АДсФ Автоматическая сварка под флюсом

АПЛ Атомная подводная лодка

АрДС Аргонодуговая сварка

АЭС Атомная электрическая станция

АЭУ Атомная энергетическая установка

БР Быстрый реактор

ВКУ Внутрикорпусные устройства

ВТО Высокотемпературная обработка

ГОСТ Государственный отраслевой стандарт

ГЦН Главный циркуляционный насос

ЖМТ Жидкометаллический теплоноситель

ЗТВ Зона термического влияния

КБР Корпус блока реактора

КД Конструкторская документация

КТ Контрольная точка

КЭ Конструкционный элемент

ЛРОЗ Локальные разрушения околошовной зоны

МШ Металл шва

НД Нормативная документация

ОМ Основной металл

ОСН Остаточные сварочные напряжения

ОСТ Отраслевой стандарт

ОШЗ Околошовная зона

ПА/MIG/MAG Механизированная/полуавтоматическая сварка плавящимся электродом в защитном газе

ПГ Парогенератор

ПНАЭ Г Правила и нормы в атомной энергетике

ПТД Проектно-технологическая документация

РДС Ручная дуговая сварка покрытым электродом

РСМА Рентгеноспектральный микроанализ

РСФА Рентгеноспектральный фазовый анализ

РУ Реакторная установка

РФ Российская Федерация

РЭМ Растровый электронный микроскоп

СС Сварное соединение

СПиР-СТ-2015 Свод правил и руководств

СТО Стандарт отрасли

СУЗ Система управления и защиты

СФФ Содержание ферритной фазы

ТВС Тепловыделяющая сборка

ТВЭЛ Тепловыделяющий элемент

ТИ Технологическая инструкция

ТО Термическая обработка

ТТИ Типовая технологическая инструкция

НУ Твердость по Виккерсу

КСУ Испытания на ударный изгиб образцов с У-образным надрезом (Шарпи)

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка аустенитных сварочных материалов для технологии сварки оборудования АЭУ с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем», «2.5.8 – Сварка и родственные процессы и технологии»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Развитие атомного машиностроения обусловливает высокий уровень эффективности использования АЭУ за счет решения ряда актуальных для атомной отрасли задач: повышение эксплуатационной безопасности и замыкание ядерного топливного цикла. Решить эти задачи можно путем формирования нового подхода при создании перспективных реакторных установок.

Одним из направлений решения задач по повышению эффективности использования объектов атомной энергетики является создание РУ на быстрых нейтронах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем - свинец, свинец-висмут.

Проектирование и сооружение перспективных РУ с тяжелым жидкоме-таллическим теплоносителем невозможно без наличия конструкционных материалов, способных обеспечить надежность элементов конструкции и РУ в целом при высоких эксплуатационных параметрах.

Обеспечение надежности возможно только путем комплексного подхода к разработке конструкционных и сварочных материалов, а так же за счет применения новых технологических решений при создании оборудования РУ с ЖМТ.

В качестве основного конструкционного материала применительно к изготовлению сварных конструкций теплосилового оборудования РУ с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем выбрана и освоена жаропрочная аусте-нитная хромникельниобиевая сталь марки 10Х15Н9С3Б1-Ш (ЭП302-Ш), легированная кремнием. Опыт применения данной марки стали в наземных реакторных стендах-прототипах и РУ АПЛ с теплоносителем «эвтектика свинец-висмут» подтвердил обоснованность применения этого материала при сооружении РУ с ЖМТ с более высокими техническими и эксплуатационными характеристиками.

Цель и задачи работы. Целью данной работы является разработка сварочных материалов и технологии сварки для выполнения сварных соединений деталей и узлов из стали марки ЭП302-Ш, обеспечивающих надежность сварных соединений при эксплуатационных параметрах в течение заданного срока эксплуатации РУ БРЕСТ-ОД-300.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) разработать усовершенствованную композицию сварочных материалов, легированную кремнием в количестве 2,0-3,0 % (для обеспечения стойкости против коррозионных повреждений в ЖМТ), обеспечивающую однородность по химическому составу со сталью ЭП302-Ш и технологическую прочность сварных соединений;

2) провести комплексную оценку поведения Сг-М-81 композиции металла шва в процессе эксплуатации оборудования РУ с ЖМТ в диапазоне температур 450-550 °С, включающую:

- анализ сопротивления металла шва хрупкому разрушению;

- анализ характеристик жаропрочности металла шва и сварных соединений стали ЭП302-Ш;

- анализ влияния кремния на структурные и фазовые превращения и на изменение уровня эксплуатационных характеристик металла шва сварных соединений стали ЭП302-Ш;

- анализ деградации свойств металла шва в процессе эксплуатации;

3) разработать и обосновать подходы к выполнению послесварочной термической обработки сварных соединений стали марки ЭП302-Ш;

4) разработать технологию высокопроизводительных способов сварки элементов конструкции РУ БРЕСТ-ОД-300, выполненных из стали марки ЭП302-Ш.

Методы исследований. Для решения поставленных задач применяли следующие методы исследований и испытаний.

- Магнитный/контактный метод измерения содержания ферритной фазы выполнен с помощью контактного ферритометра типа МФ-51НЦ. Содержание ферритной фазы (%) определялось путем статистической обработки выборки экспериментальных значений.

- Металлографический метод измерения содержания ферритной фазы проводился путем получения тонких интерферентных пленок разных цветов и оттенков на участках ферритной фазы. Получение тонких ин-терферентных пленок осуществлялось за счет окрашивания ферритной фазы при использовании пленочных травителей/реактивов. Расчет содержания ферритной фазы проведен по специально разработанному алгоритму в программе «VideoTest Структура 5.2».

- Металлографическее исследование микроструктуры проведено на оптическом микроскопе «Axiovert 40 MAT» (Карл Цейсс, Германия), оснащенном телевизионным анализатором изображений ProgResC3, и на растровом электронном микроскопе JSM-6060A (JEOL, Япония). Рент-геноспектральный микроанализ проводился на растровом электронном микроскопе JSM-6060A с энергодисперсионной приставкой JED-2300 и на РЭМ FEI QUANTA 600F с приставкой для локального химического анализа. Исследование тонкой структуры проводилось с использованием просвечивающего электронного микроскопа JEOL JEM-2100 при ускоряющем напряжении 200 кВ, оснащенного приставкой INCA энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии для сбора характеристического спектра с образца с целью химического анализа частиц. Рент-геноструктурный фазовый анализа проводился на рентгеновской установке с фотографической регистрацией (УРС-2.0).

- Оценка технологической свариваемости. Склонность металла шва/наплавленного металла к горячим трещинам определялась на «ва-ликовой пробе ЦНИИТМАШ» и по ОСТ5.9370-81 [1].

- Определение механических свойств металла шва/наплавленного металла и сварных соединений, а также ударной вязкости металла шва выполнялось на стандартных образцах в соответствии с положениями ГОСТ 6996-66 [2].

- Испытания по определению характеристик длительной прочности и пластичности сварных соединений и металла шва/наплавленного металла были проведены на гладких и «корсетных» образцах. Испытания проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 10145-81 [3] и ОСТ 108.901.102-78 [4].

- Оценка термической стабильности проводилась путем определения механических характеристик и ударной вязкости металла шва и сварных соединений после термического старения при рабочих температурах РУ БРЕСТ-ОД-300 на базе 10 000 ч. Определение механических характеристик и ударной вязкости выполнялось на стандартных образцах в соответствии с положениями ГОСТ 6996-66 [2].

- Измерения оценки уровня остаточных сварочных напряжений проводились в состоянии после сварки и после термической обработки с использованием спекл-интерферометра, в соответствии с ГОСТ Р 52891-2007 [5].

- Испытания на стойкость против межкристаллитной коррозии сварного соединения проводились по ГОСТ 6032-2017 [6].

Научная новизна работы заключается в следующем.

1) Определены основные процессы взаимодействия элементов в металле высококремнистой аустенитной композиции Сг-М-81, инициируемые при эксплуатационном нагреве в диапазоне 450-550 °С и приводящие к структурной неоднородности:

- образование зернограничных сегрегаций кремния;

- образование зон химической неоднородности по хрому, кремнию и никелю;

- структурные преобразования в процессе длительного нагрева при температурах до 600 °С, не приводящие к выделению интерметаллидных фаз типа сигма-фазы;

- выделение дисперсной карбидной фазы.

2) По результатам исследования зон микрохимической неоднородности показано следующее.

- Образование зон микрохимической неоднородности, выделение дисперсной карбидной фазы и образование зернограничных сегрегаций кремния развиваются независимо друг от друга, влияние на сдвиг свойств металла аддитивно.

- Уровень легирования зон микрохимической неоднородности недостаточен для образования кристаллических решеток интерметаллидных фаз. Наличия сигма-фазы после нагревов при температурах 550-600 °С не выявлено.

- Снижение содержания углерода до уровня не выше 0,03 % способствует возникновению процесса возврата вязких свойств.

3) Предложена обобщенная модель параметрической зависимости, отражающая взаимосвязь протекающих структурных преобразований в результате длительных нагревов до температуры 600 °С и сопротивление металла шва хрупкому разрушению в процессе эксплуатации оборудования РУ с ЖМТ.

4) Для предотвращения образования ЛРОЗ под действием ОСН предложена комплексная двухступенчатая термическая обработка. На первом этапе для снятия деформационного упрочнения применяется стабилизирующий отпуск в диапазоне температур 600-650 °С. На втором этапе для обеспечения релаксации напряжений проводится релаксационный отжиг при температуре 550 °С.

5) Параметры (температура и время выдержки) низкотемпературной ТО по режимам 600 °С/10 ч + 550 °С /150 ч (печная ТО) и 650 ± 10 °С/1,5-2 ч +

+ 550 ± 10 °С/150 ч (локальная ТО) выбраны вне диапазона дисперсионного твердения, а процесс снижения и перераспределения ОСН происходит по механизму ползучести. Выбранные параметры низкотемпературной термической обработки обеспечивают снижение уровня ОСН на 60 % min, от > 380 МПа (состояние после сварки) до ~ 160 МПа (после ТО).

6) Выбранные параметры (температура и время выдержки) низкотемпературной ТО сварных соединений стали марки ЭП302-Ш не оказывают влияния на кратковременные механические характеристики. Уровень кратковременных механических характеристик сварного соединения как в исходном состоянии после сварки, так и после термической обработки находится на уровне основного металла - сталь марки 10Х15Н9С3Б1-Ш (ЭП302-Ш).

Практическая значимость работы. Разработана усовершенствованная композиция сварочных материалов типа Х14Н8С3БУ с высоким содержанием кремния, обеспечивающая однородность по химическому составу со сталью ЭП302-Ш и технологическую прочность многопроходных сварных соединений.

1) Разработана, аттестована и освоена в промышленных условиях технология РДС, АрДС и ПА/MIG/MAG сварки элементов конструкции РУ БРЕСТ-ОД-300 из стали ЭП302-Ш толщиной до 60 мм.

2) Разработанные сварочные материалы внесены в НД (НП-107-21, серия стандартов СТО 95 ХХХХХ) на РУ с ЖМТ в качестве единственно допущенных для выполнения сварных соединений элементов оборудования из стали ЭП302-Ш.

3) Технологии сварки оформлены в виде технологических инструкций, освоены и внедрены на заводах - изготовителях оборудования АЭУ: ТТИ № 013.010.30-0001-2021 [7], ТИ ТКДБ.25291.00033 [8],

ТИ ТКДБ.25291.00034 [9], ТИ ТКДБ.25090.0002 [10], ТИ ТКДБ.25090.0003 [11], ТИ ТКДБ.25090.0004 [12].

4) Разработаны рекомендации по проведению низкотемпературной термической обработки пространственных сварных конструкций РУ, обеспечивающих снижение остаточных сварочных напряжений. Личный вклад. Автор диссертационной работы принял участие на всех этапах проведения исследований и испытаний, опытно-экспериментальных работ, промышленного освоения и внедрения, получения необходимых расчетных характеристик для внесения сварочных материалов в СПиР-СТ-2015 [13] и серию стандартов СТО 95 12ХХХ при сооружении РУ БРЕСТ-ОД-300. Является соавтором технологий сварки элементов конструкции РУ БРЕСТ-ОД-300 из сталей марок ЭП302-Ш и ее разнородных сварных соединений со сталью марки 09Г2С и двухслойной сталью марки 09Г2С + ЭП302-Ш.

Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы изложено в докладах, представленных на восьми конференциях, а также в шести научных статьях, опубликованных в рецензируемых научных журналах и изданиях.

Разработанные марки материалов и обоснованные гарантированные показатели химического состава и механических свойств использованы при разработке КД, РКД, ПТД, ПКД.

Результаты работы освоены и внедрены на предприятиях машиностроительного дивизиона «Атомэнергомаш» - изготовителях оборудования РУ БРЕСТ-ОД-300: АО «ЗиО-Подольск» и Филиал АО «АЭМ-технологии» «Ижора».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников литературы из 57 наименований, изложена на 163 листах, включая 85 рисунков и 18 таблиц.

14 Глава 1

АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ И УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ РУ БРЕСТ-ОД-300

1.1. Проектные параметры стационарной РУ с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем - свинец

В настоящее время в рамках проекта «Прорыв» ведутся работы по изготовлению оборудования и сооружению перспективных реакторных установок нового поколения с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем.

Жидкие металлы при рабочих температурах слабо взаимодействуют с водой и воздухом, тем самым исключается возможность теплового взрыва и нарушения герметичности корпуса реактора под действием внутреннего давления. Реализация проектов реакторов с теплоносителем на основе тяжелых металлов позволит исключить аварии с радиоактивными выбросами, требующими эвакуации населения, одновременно упростив и удешевив АЭС.

Одной из таких установок является опытно-демонстрационный реактор РУ БРЕСТ-ОД-300 со свинцовым теплоносителем и температурой эксплуатации до 550 °С (табл. 1.1). Особенностью РУ БРЕСТ-ОД-300 является её расположение в монолитном железобетоне (рис. 1.1).

Реакторная установка БРЕСТ-ОД-300 представляет собой двухконтур-ный парогенерирующий энергоблок, в состав которого входят: реактор с парогенераторами; система защиты реакторной установки от превышения давления; бетонная шахта с тепловой защитой; насосы; оборудование системы перегрузки ТВС; система управления и защиты; паротурбинная установка; система теплоотвода при расхолаживании; система разогрева реактора и другие вспомогательные системы [14].

Таблица 1.1 Технические характеристики РУ БРЕСТ-ОД-300 [15]

Наименование характеристики Единица измерения Величина

Тепловая мощность МВт 700

Электрическая мощность МВт 300

Теплоноситель — Свинец

Температура теплоносителя на входе в активную зону °С 420

Температура теплоносителя на выходе из активной зоны °С 540

Давление теплоносителя МПа Под наливом Рмах 1,5

Количество парогенераторов шт 4

Температура на входе/выходе в ПГ, давление на выходе из ПГ °С, МПа 340/520, 25,5

Срок службы ПГ и насосов 1 контура Год Не менее 10

Реактор и парогенераторы расположены в бетонной шахте с тепловой защитой без использования металлического корпуса. Поддержание необходимой температуры бетона обеспечивается естественной циркуляцией воздуха. Бассейновая конструкция РУ БРЕСТ, по сравнению с традиционной для быстрых реакторов интегральной конструкцией, позволяет снизить габаритные размеры и объем свинцового контура. В свинцовом контуре отсутствует давление, а высокая температура застывания свинца способствует самозалечиванию трещин, что исключает возможность охлаждения активной зоны, расплавления ТВЭЛов и выхода радиоактивного свинца в помещения РУ [14].

а

б

Рисунок 1.1. Реакторная установка РУ БРЕСТ-ОД-300: а) продольный разрез; б) поперечный разрез

На начальной стадии эксплуатации РУ БРЕСТ-ОД-300 будут проводиться исследования работы реактора в различных режимах, отработка технологических процессов и систем, обеспечивающих работу реакторной установки и топливного цикла. После окончания проведения необходимых исследований реактор переводится в опытную эксплуатацию с производством электроэнергии, тепла и изотопной продукции. Ядерная технология, принятая и опробированная в опытно-демонстрационном реакторе БРЕСТ-ОД-300, будет использована при дальнейшей разработке проекта коммерческого свинцово охлаждаемого реактора РУ БР-1200 электрической мощностью 1200 МВт.

1.2. Анализ элементов конструкции РУ БРЕСТ-ОД-300

Особенностью конструкции бассейнового типа РУ БРЕСТ-ОД-300, расположенной в монолите из железобетона, является отсутствие возможности эксплуатационного контроля деталей и узлов, а также их сварных соединений, на протяжении всего жизненного цикла РУ.

В непосредственном контакте с агрессивной средой жидкометалличе-ского теплоносителя (свинец) при температуре до 550 °С находятся следующие основные элементы конструкции РУ БРЕСТ-0Д-300:

- корпус РУ/лайнер - облицовка внутренней поверхности железобетонного корпуса РУ;

- внутрикорпусные устройства и др.

Для выполнения облицовки железобетонного корпуса РУ - лайнера, внутренняя сторона которого находится в непосредственном контакте с расплавом жидкометаллического теплоносителя, целесообразно применение жаропрочной стали аустенитного класса высокими коррозионными свойствами в среде свинцового теплоносителя.

Облицовка железобетонного корпуса РУ может быть выполнена с помощью укрупненных сборок заданных размеров и конфигураций на заводе-изготовителе с последующим монтажом (сваркой) на площадке. Общая протяженность сварных соединений может составлять более 5 км.

Основными нагрузками являются сила выталкивания и гидродинамические силы при циркуляции свинцового теплоносителя.

ВКУ, как и лайнер, могут быть выполнены укрупненными сборками с последующим монтажом на площадке. Толщина ВКУ подлежащих выполнению с помощью сварки не превышает 35 мм, за исключением отдельных элементов толщиной до 60 мм.

Особенностью изготовления элементов конструкции РУ БРЕСТ-ОД-300 является выполнение протяженных пространственных сварных соединений крупногабаритных деталей и узлов (стыковые, угловые, тавровые) как в заводских, так и в монтажных условиях.

Особенности конструкции деталей и узлов с учетом их пространственной ориентированности обусловливают необходимость решения ряда актуальных задач при сооружении РУ БРЕСТ-ОД-300, а именно:

- разработка технологии высокопроизводительных способов сварки;

- обеспечение технологической прочности сварных соединений. Агрессивная среда жидкометаллического теплоносителя и высокая температура эксплуатации (до 550 °С) РУ БРЕСТ-0Д-300 определяют основные требования к надежности элементов конструкции в течение всего срока эксплуатации РУ и технологичности при изготовлении:

- коррозионная стойкость основного материала и его сварных соединений в среде жидкометаллического теплоносителя;

- жаропрочность основного материала и его сварных соединений при температуре эксплуатации до 550 °С;

- сопротивление локальным разрушениям в процессе эксплуатации;

- термическая стабильность металла сварных соединений;

- сопротивление образованию горячих трещин в процессе выполнения многопроходных сварных соединений.

19 Глава 2

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР ПЕРСПЕКТИВНОЙ КОМПОЗИЦИИ СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ОБЕСПЕЧЕНИЕМ ЖАРОПРОЧНОСТИ И СТОЙКОСТИ ПРОТИВ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КОРРОЗИИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТАЛЛА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ РУ С ЖМТ

2.1. Анализ характеристик основного металла и сварочных материалов и опыта проектирования для реакторных установок с ЖМТ

В качестве основного конструкционного материала применительно к изготовлению сварных конструкций теплосилового оборудования РУ с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем выбрана и освоена жаропрочная аусте-нитная хромникельниобиевая сталь марки 10Х15Н9С3Б1-Ш (ЭП302-Ш), легированная кремнием [16, 17].

Сталь 10Х15Н9С3Б1-Ш (ЭП302-Ш), разработанная в АО «НПО «ЦНИИТМАШ», - это жаростойкий материал с двухфазной аустенитно-фер-ритной структурой и ограниченным исходным содержанием 5-феррита [16]. В [18] было показано, что кремний существенно повышает коррозионно-эро-зионную стойкость в среде жидкометаллического теплоносителя и сопротивляемость аустенитной стали науглероживанию при высоких температурах.

Многолетний опыт эксплуатации двух полномасштабных наземных реакторных стендов-прототипов и РУ АПЛ с теплоносителем «эвтектика свинец-висмут» (всего 12 реакторов) показал, что легирование композиции стали марки 10Х15Н9С3Б1-Ш (ЭП302-Ш) кремнием в сочетании с содержанием кислорода в жидкометаллическом теплоносителе до 10-7-10-6 вес переводит сталь в пассивное состояние и способствует формированию плотной оксидной пленки на поверхности, что снижает негативное воздействие жидкометалли-ческого теплоносителя на твердый металл, способствует предотвращению

«термического переноса металла» и обеспечивает высокую надежность элементов первого контура [17].

Химический и фазовый состав стали 10Х15Н9С3Б1-Ш (ЭП302-Ш) представлен на рисунке 2.1 и в таблице 2.1.

Сгэкв= %Сг + %Мо + 1,5 + 0,5 Рисунок 2.1. Диаграмма Шеффлера, сталь 10Х15Н9С3Б1-Ш (ЭП-302-Ш)

Таблица 2.1

Химический состав стали 10Х15Н9С3Б1-Ш (ЭП302-Ш) (ТУ 14-1-1174-75), %

С Мп Сг Бе Б Р N1 N5

0,08-0,12 2,20-3,0 0,4-0,8 14,0-16,0 Основа < 0,025 < 0,035 8,0-10 0,7-1,0

В работе специалистов АО «НПО «ЦНИИТМАШ» [18] были разработаны основные рекомендации для обеспечения свариваемости, технологической и эксплуатационной надежности сварных соединений стали 10Х15Н9С3Б1-Ш (ЭП-302-Ш). Было установлено следующее.

1) Регламентированное в узких пределах содержание ферритной фазы в количестве 2-5 % в исходной структуре слитков и последующее её преобразование в аустенит в результате диффузионного перераспределения в процессе горячей механической обработки обеспечивает повышение характеристик свариваемости. Повторное выделение ферритной фазы в околошовной зоне (рис. 2.2) под действием термического цикла сварки исключает возможность образования горячих трещин в ОШЗ.

х100 х400

Рисунок 2.2. Распределение 8-феррита вблизи линии сплавления сварного соединения стали 10Х15Н9С3Б1-Ш (ЭП302-Ш)

2) Сталь 10Х15Н9С3Б1-Ш (ЭП-302-Ш) склонна к мартенситному превращению в результате пластической деформации при комнатной температуре. Превращения у ^ ц можно избежать при повышении температуры пластической деформации до 80-100 °С, а мартенсит, образовавшийся при холодном деформировании, полностью устраняется последующей высокотемпературной термической обработкой (аустенизация/закалка при 1050-1100 °С).

3) Согласно нормам ПНАЭ Г-7-009-89 аустенизации подлежат сварные соединения стабилизированных сталей, предназначенных для работы при температуре свыше 450 °С. Указанные нормативы введены с целью исключения появления локальных разрушений околошовной зоны.

Применительно к сварным соединениям стали 10Х15Н9С3Б1-Ш (ЭП302-Ш) проведение высокотемпературной термической обработки (аусте-низация - 1050-1100 °С) обеспечивает полную релаксацию (90-95 %) исходного уровня остаточных сварочных напряжений и снижает вероятность образования ЛРОЗ.

Учитывая высокую температуру эксплуатации РУ БРЕСТ-ОД-300, отсутствие возможности проведения эксплуатационного контроля в течение всего срока службы РУ, особенности изготовления элементов конструкции, а также структурный класс стали 10Х15Н9С3Б1-Ш (ЭП302-Ш), разработанных ранее рекомендаций недостаточно для обеспечения эксплуатационной надежности сварных соединений деталей и узлов.

При выполнении протяженных угловых/тавровых сварных соединений ВКУ РУ БРЕСТ-ОД-300 толщиной ~ 35 мм (опоры, опорные кольца, перегородки и т.д.) особенности химического состава свариваемой стали 10Х15Н9С3Б1-Ш (ЭП302-Ш) определяют ряд факторов, которые негативно сказываются на надежности сварных соединений:

- Легирование композиции стали ниобием в сочетании с высоким содержанием углерода при температуре эксплуатации 20-550 °С не приводит к выделению карбидов типа №С. Карбиды ниобия могут выделяться в околошовной зоне в процессе термического цикла сварки и способствовать появлению в процессе эксплуатации локальных разрушений в ОШЗ сварных соединений.

- Легирование композиции металла шва кремнием и ниобием при высоком содержании углерода может способствовать образованию легкоплавких эвтектик, расширению эффективного интервала кристаллизации и повышению склонности металла шва к образованию горячих трещин при сварке [19, 20].

Для обеспечения надежности сварных соединений стали 10Х15Н9С3Б1-Ш (ЭП302-Ш) необходимо:

- разработать меры, предупреждающие образование ЛРОЗ под действием ОСН в металле сварных соединений;

- разработать сварочные материалы, обеспечивающие стойкость к коррозионным повреждениям в контакте с ЖМТ и стойкость к образованию горячих трещин при многопроходной сварке толстостенных элементов конструкций.

2.2. Выбор композиции сварочных материалов. Анализ характеристик металла шва сварных соединений, выполненных освоенными в промышленных условиях сварочными материалами

Для сварки деталей и узлов работающих при температуре до 550 °С, подлежащих выполнению из аустенитной стали марки 10Х15Н9С3Б1-Ш (ЭП302-Ш), были разработаны и освоены в промышленных условиях сварочные материалы типа Х14Н8С3Б: сварочная проволока Св-08Х14Н8С3Б (ЭП305) и изготавливаемые на стержнях из этой проволоки покрытые электроды марки ЦТ-24.

Прототипом для создания данного типа сварочного материала является состав типа Х19Н10Б (Х20Н10Б). Для обеспечения необходимой коррозионной стойкости металла шва/наплавленного металла применительно к выполнению сварных соединений стали ЭП302-Ш сварочные материалы композиции Х19Н10Б были дополнительно легированы кремнием с одновременным снижением содержания хрома и соблюдением стехиометрической зависимости соотношения №/С > 10 [19]. Данная композиция сварочных материалов обеспечивает однородность металла шва со сталью марки ЭП302-Ш.

Химический и фазовый состав сварочных материалов Св-08Х14Н8С3Б (ЭП305) и ЦТ-24 представлен в таблице 2.2 и на рисунке 2.3.

Таблица 2.2 Химический состав сварочных материалов типа Х14Н8С3Б, %

Марка С Мп Б Р Сг N1 N5 СФФ, %

Св-08Х14Н8С3Б 0,05- 2,8- 1,5- < < 13,5- 8,0- 0,8- 4-6

(ЭП-305) 0,1 3,5 2,0 0,018 0,025 15,5 9,0 1,1

ТУ 14-1-1890-76

ЦТ-24 0,06- 2,2- 1,0- < < 14,0- 7,8- 0,6- 2-5

ОСТ24.948.01.90 0,12 3,3 1,8 0,02 0,03 17,5 9,0 1,1

Сгэкв= %Сг + %Мо + 1,5 + 0,5

Рисунок 2.3. Диаграмма Шеффлера: черные линии - сталь 10Х15Н9С3Б1-Ш (ЭП302-Ш); выделено красным - сталь Св-08Х14Н8С3Б; синим - сталь ЦТ-24

Повышение технологической прочности сварных соединений стали ЭП302-Ш, выполняемых сварочными материалами типа 08Х14Н8С3Б (ЭП305 и ЦТ-24), обеспечивается путем применения разработанных рекомендаций: содержание ферритной фазы в количестве 2-5 % и легирование углеродом и ниобием в концентрациях и соотношениях, близких к стехиометрическим (№/С > 10).

В работе [21] установлено, что в процессе кристаллизации хромонике-левой аустенитно-ферритной стали или металла шва в междендритных пространствах образуются зоны переменного состава, представляющие собой высокодисперсную эвтектическую смесь, обогащенную ферритообразующими (Сг, и т.д.) и ликвирующими элементами. Высокодисперсная эвтектическая смесь включает в себя субмикрообъемы дельта-феррита и карбиды типа Ме23С6 и обладает высокой температурой кристаллизации, которая соответствует реальному солидусу аустенитно-ферритного металла шва. При протекании выравнивающей диффузии в твердой фазе высокодисперсная эвтектическая смесь превращается в ферритные включения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Алексеёнок Павел Александрович, 2023 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. ОСТ 5Р.9370-2011. Электроды покрытые металлические специального назначения для ручной дуговой сварки стали аустенитного класса. Технические условия / Введ. 2012. ФПУП «ЦНИИ КМ «Прометей».

2. ГОСТ 6996-66. Сварные соединения. Методы определения механических свойств. М.: Стандартинформ, 2008.

3. ГОСТ 10145-81. Металлы. Метод испытания на длительную прочность / Введ. 1982. М.: Изд-во стандартов, 1981.

4. ОСТ 108.901.102-78. Котлы, турбины и трубопроводы. Методы определения жаропрочности металлов. М.: НПО «ЦНИИТМАШ», 1979.

5. ГОСТ Р 52891-2007. Контроль остаточных технологических напряжений методом лазерной интерферометрии. М.: Стандартинформ, 2007.

6. ГОСТ 6032-2017. Стали и сплавы коррозионно-стойкие. Методы испытаний на стойкость против межкристаллитной коррозии. М.: Стандартинформ, 2017.

7. ТТИ № 013.010.30-0001-2021. Выполнение сварных соединений стали марки 10Х15Н9С3Б1-Ш (ЭП302-Ш) толщиной до 60 мм применительно к изготовлению металлоконструкций ЯЭУ со свинцовым теплоносителем / Разр. С.И. Носов, П.А. Алексеёнок. 2021.

8. ТИ ТКДБ.25291.00033. Технологическая инструкция на РДС и полуавтоматическую сварку двухслойного листа стали 09Г2С +ЭП302-Ш / Разр. С.И. Носов, Г.А. Половнёв, П.А. Алексеёнок. 2012.

9. ТИ ТКДБ.25291.00034. Технологическая инструкция на выполнение сварных соединений конструкций из труб и листов из стали ЭП302-Ш (10Х15Н9С3Б1-Ш) РУ БРЕСТ-ОД-300. / Разр. С.И. Носов, П.А. Алексе-ёнок. 2016.

10. ТИ ТКДБ.25090.00002. Технологическая инструкция на выполнение угловых сварных соединений внутрикорпусных устройств с плакированными листами / Разр. С.И. Носов, П.А. Алексеёнок. 2016.

11. ТИ ТКДБ.25090.00003. Технологическая инструкция на выполнение тавровых сварных соединений внутрикорпусных устройств с плакированными листами / Разр. С.И. Носов, П.А. Алексеёнок. 2016.

12. ТИ ТКДБ.25090.00004. Технологическая инструкция на выполнение сварных соединений опорных конструкций с листами из стали марки 09Г2С / Разр. С.И. Носов, П.А. Алексеёнок. 2016.

13. СПиР-СТ-2015. Свод положений и руководств по обеспечению целостности элементов ЯЭУ со свинцовым теплоносителем: Проект / Разр. АО «НИКИЭТ».

14. Габараев Б., Филин А. Разработка АЭС с РУ БРЕСТ-ОД-300 с пристанционным топливным циклом для площадки Белоярской АЭС. Реализация инициативы Президента Российской Федерации В.В. Путина // Вопросы атомной науки и техники. Сер. «Обеспечение безопасности АЭС». 2004. № 4. С. 40-53.

15. Орлов В.В., Филин А.И., Цикунов В.С., Сила-Новицкий А.Г., Смирнов В.С., Леонов В.Н. Задачи и требования для конструкции опытно-демонстрационного реактора БРЕСТ-ОД-300. 5-9 октября 1998 г. Обнинск.

16. Рунов А.Е., Тимофеев М.М. Выбор оптимальной композиции хорошо сваривающейся хромникельниобийкремнистой стали для теплоэнергетического оборудования.

17. Рыжов С.Б., Зубченко А.С., СтепановВ.С., КлимовН.Н., Русанов А.Е., Певчих Ю.М., Карзов Г.П., Каштанов А.Д., Яковлев В.А., Старченко Е.Г., Носов С.И. Конструкционные материалы элементов активной зоны и первого контура реакторной установки СВБР-100 // Вопросы атомной науки и техники. Сер. «Обеспечение безопасности АЭС». 2009. Вып. 24. С. 123-131.

18. Старченко Е.Г., Рунов А.Е., Тарновский А.И., Носов С.И., Зубченко А.С. Исследование технологических и служебных характеристик металла полуфабрикатов стали 10Х15Н9С3Б1-Ш (ЭП302-Ш) для элементов конструкции и сварных узлов АЭУ с теплоносителем типа «свинец», «свинец-висмут» // Тяжелое машиностроение. 2010. № 7. С. 17-23.

19. Каховский Н.И., Фартушный В.Г., Ющенко К.А. Электродуговая сварка сталей: Справочник. 1975.

20. Любавский К.В., Тимофеев М.М. Дуговая сварка аустенитных жаропрочных сталей. М.: Машиностроение, 1968.

21. Рунов А.Е. Исследование склонности к образованию горячих трещин хро-моникелевой аустенитной и аустенитно-ферритной сталей // Сварочное производство. 1971.

22. Sourmail T. Precipitation in creep resistant austenitic stainless steels // Materials Science and Technology. 2001. Vol. 17(1). P. 1-14.

23. Химушин Ф.Ф. Нержавеющие стали. М.: Металлургия, 1967.

24. Физическое металловедение: В 3 вып. / Пер. с англ. Под ред. Р. Кана; под ред. [и с предисл.] д.т.н. Н.Т. Чеботарева. М.: Мир, 1967.

25. ОСТ 5.9633-75 (с изм. 4). Сварка конструкций специальных судовых энергетических установок из сталей аустенитного и перлитного классов и же-лезоникелевых сплавов (с грифом «дсп»). 1977.

26. Носов С.И., Алексеёнок П.А., Гуденко А.С., Змиенко Д.С. Термическая стабильность аустенитно-ферритных Cr-Ni-Nb сварных швов, дополнительно легированных кремнием // Тяжелое машиностроение. 2013. № 3. С. 22-26.

27. Barcik J., Brzydka B. Chemical composition of a phase precipitated in chromium-nickel austenitic steels // Metal Science. 1983. Vol. 17. P. 256-260.

28. Любавский К.В., Лазарев Б.И. Электроды для сварки стали ЭИ257 // Сварочное производство. 1956.

29. Рунов А.Е. Электродуговая сварка аустенитных хромоникелевых сталей // Обзор иностранной литературы. 1957.

30. Рунов А.Е., Любавский К.В. О влиянии ферритной фазы на свойства наплавленного металла сварных соединений хромоникелевых аустенит-ных сталей // Сварочное производство. 1959. № 9.

31. Земзин В.Н. Жаропрочность сварных соединений. М.: Машиностроение, 1972.

32. Устиновщиков Ю.И. Сигма-фаза в железохромистых сплавах и сталях // Металловедение и термическая обработка металлов. 2011. № 11. С. 8-13.

33. Гладышевский Е.И. Кристаллохимия силицидов и германидов. М.: Металлургия, 1971.

34. ЛьвовЕ.П. Дисс. ... к.т.н. (с грифом «дсп»). 1966.

35. СО 153-34.17.471-2003. Методические указания по определению характеристик жаропрочности и долговечности металла котлов, турбин и трубопроводов. М.: ЦПТИ ОРГРЭС, 2004.

36. Hau J. and Seijas А. Sigma Phase Embrittlement of Stainless Steel in FCC Service // CORROSION NACExpo. 2006, P. 06578:1-23.

37. Тарасенко Л.В., Шалькевич А.Б. Образование фазы Лавеса в жаропрочной аустенитной стали при длительных выдержках // Металловедение и термическая обработка металлов. 2011. № 3. С. 21-24.

38. Lo K.H., Shek C.H., Lai J.K.L. Recent developments in stainless steels // Materials Science and Engineering R. 2009. Rep. 65. P. 39-104.

39. Лужанский И.Б. Новые легированные кремнием износостойкие сплавы и технология их нанесения: Дисс. ... д.т.н. ОАО «НПО «ЦНИИТМАШ», 2011.

40. Лужанский И.Б. Высокоэффективные износостойкие стали, легированные кремнием // Металловедение и термическая обработка металлов. 2011. № 6(672). С. 3-8.

41. Змиенко Д.С., Носов С.И., Алексеенок П.А. Исследование микроструктуры кремнийсодержащих аустенитно-ферритных Cr-Ni-Nb сварных швов // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 6. С. 127:1-7.

42. Устиновщиков Ю.И., Банных О.А. Природа отпускной хрупкости сталей / Отв. ред. К.А. Осипов. М.: Наука, 1984.

43. Устиновщиков Ю.И., Шабанов И.Н., Сапухин В.А., Трапезников В.А. Охрупчивание легированных сталей при отпуске // Физика металлов и металловедение. 1977. Т.44, вып. 2.

44. Новый справочник химика и технолога. Электродные процессы. Химическая кинетика и диффузия. Коллоидная химия / Под ред. акад. РАЕН, д.х.н., проф. С.А. Симановой. СПб.: НПО «Профессионал», 2004.

45. Продолжение разработок технологии сварки и аттестационных испытаний сталей марок 15Х15Н9С3Б1-Ш (ЭП302-Ш) и 10Х9НСМФБ-Ш, металла сварных швов и соединений для конструкционных условий РУ «БРЕСТ-ОД-300»: Отчет ФГУП «ЦНИИТМАШ». Разд. 1. «Продолжение разработок технологий сварки и аттестационных испытаний стали 15Х15Н9С3Б1-Ш (ЭП302-Ш), металла сварных швов и соединений». 2003.

46. Обоснование применения стали ЭП302-Ш и двухслойного листа и их сварных соединений, а также разнородных сварных соединений «12Х18Н10Т + 10Х9МФБ» и «труба ЭП302М + трубная доска 12Х18Н10Т» для КЭ РУ БРЕСТ: Аттестационный отчет АО «НПО «ЦНИИТМАШ». 2015.

47. ГОСТ 8.207-76. Государственная система обеспечения единства измерений. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. М.: Стандартинформ, 2008.

48. Разработка окончательных рекомендаций по проведению термического отжига сварных соединений и изделий из стали ЭП302-Ш (КБР, ВКУ) для релаксации остаточных напряжений: Отчет АО «НПО «ЦНИИТМАШ», 2022.

49. Борздыка А.М., Гецов Л.Б. Релаксация напряжений в металлах и сплавах. М.: Металлургия, 1972.

50. Носов С.И., Алексеёнок П.А. Оценка релаксационной стойкости сварных соединений стали ЭП302-Ш // Тяжелое машиностроение. 2014. № 1. С. 21-26.

51. СО 153.34.17.471-2003. Методические указания по определению характеристик жаропрочности и долговечности металла котлов, турбин и трубопроводов. Минэнерго РФ, 2003.

52. ТТИ № 013.010.30-0001-2021. Выполнение сварных соединений стали марки 10Х15Н9С3Б1-Ш (ЭП302-Ш) толщиной до 60 мм применительно к

изготовлению металлоконструкций ЯЭУ со свинцовым теплоносителем / Разр. С.И. Носов, П.А. Алексеёнок. 2021.

53. Погодин В.П., Богоявленский В.Л., Сентюрев В.П. Межкристаллитная коррозия и коррозионное растрескивание нержавеющих сталей в водных средах. М.: Атомиздат, 1970.

54. Обоснование применения стали ЭП302-Ш и двухслойного листа и их сварных соединений, разнородных сварных соединений «12Х18Н10Т + 10Х9МФБ» и «труба ЭП302М + трубная доска 12Х18Н10Т» для КЭ РУ БРЕСТ: Аттестационный отчет АО «НПО «ЦНИИТМАШ». 2015.

55. СТО 95 12041-2019. Обеспечение целостности корпуса блока реакторного, оборудования, трубопроводов и внутрикорпусных устройств ядерной энергетической установки со свинцовым теплоносителем. Сварка и наплавка. Госкорпорация «Росатом», 2019.

56. ПНАЭ Г-7-009-89. Оборудование и трубопроводы атомных энергетических установок. Сварка и наплавка. Основные положения: Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии. М.: Госатомнадзор, 2000.

57. ГОСТ 14771-76. Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры. М.: Стандартинформ, 2007.